पदार्थ सामर्थ्य: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 14 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

नए प्रश्न कोर्स पर वापस जाएँ

प्रिंट विंडो में “PDF के रूप में सहेजें” चुनें, ताकि एक प्रति आपके डिवाइस पर रहे।

1सूत्र और विधियाँ

अक्षीय प्रतिबल और विकृति

अभिलंब प्रतिबल: σ = F/A
विकृति: ε = ΔL/L
हुक का नियम: σ = E·ε
दीर्घीकरण: ΔL = FL/(EA)
तापीय विकृति: ε_T = α·ΔT

शाफ़्ट का मरोड़

अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J
ठोस शाफ़्ट: J = πd⁴/32
खोखला शाफ़्ट: J = π(D⁴ − d⁴)/32
मरोड़ कोण: φ = TL/(GJ)
शक्ति: P = T·ω = 2πnT/60

विधि

ध्रुवीय क्षेत्र आघूर्ण ज्ञात करें: ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32।
सतह पर अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J, जहाँ r बाहरी त्रिज्या है।
ऐंठन कोण: रेडियन में φ = TL/(GJ)।
यदि शक्ति दी गई है, तो पहले P = T·ω, ω = 2πn/60 से बलाघूर्ण ज्ञात करें।

अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

अपरूपण बल और आघूर्ण: V = एक ओर का ΣF, M = एक ओर का ΣF·d
बंकन प्रतिबल: σ = M·y/I
आयत: I = bh³/12
खंड मापांक: W = I/y_max
सरल आधारित, एकसमान भार: M_max = wL²/8

विधि

पूरे बीम के संतुलन से आलंब प्रतिक्रियाएँ ज्ञात करें।
बीम को आवश्यक खंड पर काटें और एक भाग रखें।
अपरूपण बल: उस भाग पर ऊर्ध्वाधर बलों का योग। बंकन आघूर्ण: कट के परितः उनके आघूर्णों का योग।
अधिकतम आघूर्ण के लिए वह स्थान ज्ञात करें जहाँ अपरूपण बल शून्य है।

केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

केंद्रक: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
आयत: I = bh³/12
समांतर अक्ष प्रमेय: I = I_c + A·d²
संयुक्त खंड: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

केंद्र: C = (σ_x + σ_y)/2
त्रिज्या: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
मुख्य प्रतिबल: σ_1,2 = C ± R
मुख्य दिशा: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
झुका हुआ तल: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

विधि

मोर वृत्त का केंद्र निकालें: C = (σx + σy)/2।
त्रिज्या निकालें: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)।
मुख्य प्रतिबल C ± R हैं और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।
वृत्त पर कोण अवयव पर कोणों के दोगुने होते हैं: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)।

बीम विक्षेप

मध्य-विस्तार पर बिंदु भार: δ = PL³/(48EI)
एकसमान भार, सरल आधारित: δ = 5wL⁴/(384EI)
कैंटिलीवर, सिरे पर भार: δ = PL³/(3EI)
कैंटिलीवर, एकसमान भार: δ = wL⁴/(8EI)
अध्यारोपण: δ = δ₁ + δ₂

स्तंभ बकलिंग

ऑयलर भार: P_cr = π²EI/(KL)²
प्रभावी लंबाई गुणांक: K = 1 पिन–पिन, 0.5 स्थिर–स्थिर, 0.7 स्थिर–पिन, 2 स्थिर–मुक्त
क्रांतिक प्रतिबल: σ_cr = P_cr/A
पतलापन अनुपात: λ = KL/r, r = √(I/A)

2अभ्यास प्रश्न

1.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

पीतल छड़ में अक्षीय विकृति ε माइक्रोस्ट्रेन (µε = 10⁻⁶) में ज्ञात कीजिए।

P = 110 kNd = 30 mmL = 0.5 mE = 100 GPa

ε = µε

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

सोपानी छड़ दीवार में जड़ित है और अपने मुक्त सिरे पर भारित है। छड़ में सबसे बड़ा अभिलंब प्रतिबल σ_max ज्ञात कीजिए।

P = 120 kNखंड 1: Ø40 mm, 1.5 m, ताँबा (E = 117 GPa)खंड 2: Ø12 mm, 1 m, पीतल (E = 100 GPa)

σ_max = MPa

3.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

0.8 m लंबा एक ठोस स्टील शाफ़्ट 2000 N·m का बलाघूर्ण वहन करता है। उसके सिरों के बीच मरोड़ कोण 1.5° से अधिक नहीं होना चाहिए। इस सीमा को पूरा करने वाला सबसे छोटा व्यास d ज्ञात कीजिए।

T = 2000 N·mL = 0.8 mG = 80 GPaφ_allow = 1.5°

d = mm

4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

40 mm व्यास वाला एक ठोस स्टील शाफ़्ट A पर स्थिर है। A से 0.5 m पर B पर 1000 N·m का बलाघूर्ण कार्य करता है, और 3 m और आगे मुक्त सिरे C पर उसी दिशा में 1000 N·m का बलाघूर्ण कार्य करता है। सिरे C के मरोड़ कोण φ_C का परिमाण डिग्री में ज्ञात कीजिए।

d = 40 mmT_B = 1000 N·mT_C = 1000 N·mAB = 0.5 mBC = 3 mG = 80 GPa

φ_C = °

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

आलंब A से x = 1 m पर खंड में बंकन आघूर्ण M_x ज्ञात कीजिए। नीचे के रेशों को खींचने वाले आघूर्ण और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण बल को धनात्मक लें।

L = 8 mw = 6 kN/m, 0 से 8 m तकx = 1 m

M_x = kN·m

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

सरल आलंबित बीम अपने विस्तार के एक भाग पर समान वितरित भार वहन करता है। A से उस खंड तक की दूरी x₀ ज्ञात कीजिए जहाँ बंकन आघूर्ण सबसे बड़ा है।

L = 8 mw = 24 kN/m, 3 से 5 m तक

x₀ = m

7.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णमध्यम

T-खंड का उसके केंद्रक से होकर क्षैतिज अक्ष x के परितः जड़त्व आघूर्ण I_x ज्ञात कीजिए।

b_f = 100 mmt_f = 10 mmt_w = 18 mmh_w = 300 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णकठिन

एक वेल्डित I-खंड का ऊपरी फ़्लेंज 180 × 24 mm, वेब 150 mm ऊँचा और 10 mm मोटा, और निचला फ़्लेंज 280 × 16 mm (चौड़ाई × मोटाई) है। उसके केंद्रक से होकर जाने वाली क्षैतिज अक्ष x के परितः उसका क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण I_x ज्ञात कीजिए।

ऊपरी फ़्लेंज: 180 × 24 mmवेब: 10 × 150 mmनिचला फ़्लेंज: 280 × 16 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

एक बिंदु पर σₓ = −50 MPa, σᵧ = 110 MPa और τₓᵧ = 40 MPa है (तनन धनात्मक)। अवयव को 25° वामावर्त घुमाया जाता है। घुमाए गए अवयव के उन फलकों पर अभिलंब प्रतिबल σ_y′ ज्ञात कीजिए जो घुमाई गई y′-अक्ष के लंबवत हैं।

σ_x = −50 MPaσ_y = 110 MPaτ_xy = 40 MPaθ = 25°

σ_y′ = MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −40 MPa, σᵧ = 60 MPa और τₓᵧ = −10 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अभिलंब प्रतिबल σ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 50° वामावर्त घुमाया गया है।

σ_x = −40 MPaσ_y = 60 MPaτ_xy = −10 MPaθ = 50°

σ_θ = MPa

11.बीम विक्षेपमध्यम

एक कैंटिलीवर अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w वहन करता है। मुक्त सिरे पर विक्षेप δ ज्ञात कीजिए।

w = 2 kN/mL = 1.5 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)I = 36 × 10⁶ mm⁴

δ = mm

12.बीम विक्षेपकठिन

एक सरल आलंबित बीम आलंब B से b = 1 m पर बिंदु भार P वहन करता है। बीम का अधिकतम विक्षेप δ_max ज्ञात कीजिए।

P = 29 kNb = 1 mL = 6 mE = 200 GPa (स्टील)I = 84 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

स्टील से बना L लंबाई का एक स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर पिन किया हुआ है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार P_cr ज्ञात कीजिए।

L = 4 mE = 200 GPa (स्टील)b × h = 25 × 50 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

स्टील से बना L लंबाई का एक स्तंभ दोनों सिरों पर जड़ित है। उसकी तनुता और ऑयलर सूत्र से क्रांतिक बकलिंग प्रतिबल σ_cr ज्ञात कीजिए।

L = 4 mE = 200 GPa (स्टील)d = 40 mm

σ_cr = MPa

3विलयन

1.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: ε = 1556 µε

हुक का नियम: प्रत्यास्थ सीमा में σ = E·ε। σ = P/A और ε = δ/L के साथ मिलाने पर δ = PL/(AE) मिलता है।

प्रतिबल

A = π·30²/4 = 706.9 mm²

σ = P/A = 110·1000/706.9 = 155.6 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for पीतल = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 155.6/100000 = 0.001556 = 1556 µε

उत्तर

ε = 1556 µε

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: σ_max = 1061 MPa

अक्षीय भारित अवयव: हर प्रिज़्मीय खंड δ = PL/(AE) का पालन करता है। श्रेणी में अवयवों के दीर्घीकरण जुड़ते हैं।

दोनों खंडों में समान बल

मुक्त सिरा P वहन करता है, इसलिए छड़ का हर खंड वही अक्षीय बल P वहन करता है। केवल क्षेत्रफल और पदार्थ बदलते हैं।

A₁ = π·40²/4 = 1257 mm², A₂ = π·12²/4 = 113.1 mm²

σ₁ = 95.49 MPa

σ₂ = 1061 MPa

सबसे बड़ा प्रतिबल

पतले खंड का क्षेत्रफल छोटा है, इसलिए उसमें प्रतिबल अधिक है।

σ_max = 1061 MPa

उत्तर

σ_max = 1061 MPa

3.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d = 52.82 mm

वृत्ताकार शाफ़्ट का मरोड़: अपरूपण प्रतिबल केंद्र पर शून्य से सतह पर τ_max = T·r/J तक रैखिक रूप से बढ़ता है, ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32 और खोखले के लिए J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/32। मरोड़ कोण रेडियन में φ = TL/(GJ) है। शक्ति और बलाघूर्ण P = T·ω से जुड़े हैं।

आवश्यक ध्रुवीय आघूर्ण

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm

L = 0.8 m = 800 mm

G = 80 GPa = 80000 MPa

φ = 1.5·π/180 = 0.02618 rad

J = TL/(Gφ) = 2 × 10⁶·800/(80000·0.02618) = 763944 mm⁴

व्यास

d = (32J/π)^1/4 = 52.82 mm

उत्तर

d = 52.82 mm

व्यवहार में आप अगले मानक आकार तक पूर्णांकित करेंगे।

4.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ_C = 11.4 °

आंतरिक बलाघूर्ण

T_C की दिशा धनात्मक ली गई है।

T_BC = T_C = 1000 N·m

T_AB = T_C + T_B = 1000 + 1000 = 2000 N·m

हर खंड का मरोड़

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

G = 80 GPa = 80000 MPa

φ_AB = 2 × 10⁶·500/(80000·251327) = 0.04974 rad

φ_BC = 1 × 10⁶·3000/(80000·251327) = 0.1492 rad

सिरे C का मरोड़

φ_C = 0.04974 + 0.1492 = 0.1989 rad → |φ_C| = 11.4°

उत्तर

φ_C = 11.4°

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 21 kN·m

खंड विधि: जहाँ आंतरिक बल चाहिए वहाँ बीम काटें और एक भाग रखें। अपरूपण बल V उस भाग के ऊर्ध्वाधर बलों को संतुलित करता है, और बंकन आघूर्ण M कट के परितः उनके आघूर्णों को।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 6·8 = 48 kN, x̄ = 4 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·8 = 6·8·4

R_B = 192/8 = 24 kN

ΣF_y = 0: R_A = 48 − 24 = 24 kN

x = 1 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

केवल कट के बाईं ओर के बल आते हैं। वितरित भार का एक हिस्सा उस हिस्से के मध्य में एक बल की तरह कार्य करता है।

M = R_A·x − (कट के बाईं ओर हर भार × कट से उसकी दूरी)

M_x = 24·1 − 6·1·0.5 = 21 kN·m

उत्तर

M_x = 21 kN·m

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: x₀ = 4 m

खंड विधि: जहाँ आंतरिक बल चाहिए वहाँ बीम काटें और एक भाग रखें। अपरूपण बल V उस भाग के ऊर्ध्वाधर बलों को संतुलित करता है, और बंकन आघूर्ण M कट के परितः उनके आघूर्णों को। अधिकतम आघूर्ण: चूँकि dM/dx = V, बंकन आघूर्ण वहाँ शिखर पर होता है जहाँ अपरूपण बल शून्य से होकर गुज़रता है, या तो किसी बिंदु भार पर या किसी वितरित भार के भीतर।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 24·2 = 48 kN, x̄ = 4 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·8 = 24·2·4

R_B = 192/8 = 24 kN

ΣF_y = 0: R_A = 48 − 24 = 24 kN

शून्य अपरूपण

अपरूपण बल R_A से शुरू होता है, किसी भी भाररहित भाग पर स्थिर रहता है और भार के भीतर प्रवणता w से घटता है।

R_A − w·(x₀ − 3) = 0

x₀ = 3 + 24/24 = 4 m

उत्तर

x₀ = 4 m

7.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: I_x = 60.78 × 10⁶ mm⁴

संयुक्त क्षेत्रफल: खंड को आयतों में बाँटें। केंद्रक क्षेत्रफल-भारित औसत है ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ। केंद्रक अक्ष के परितः जड़त्व आघूर्ण हर भाग के अपने bh³/12 और समांतर-अक्ष पद A·d² को जोड़ता है, जहाँ d भाग के केंद्रक से कुल केंद्रक की दूरी है। बंकन प्रतिबल σ = M·y/I है।

दो आयतों में बाँटें

हर y को निचले किनारे से मापें।

फ़्लेंज: A_f = 100·10 = 1000 mm², y_f = 300 + 10/2 = 305 mm

वेब: A_w = 18·300 = 5400 mm², y_w = 300/2 = 150 mm

केंद्रक

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (1000·305 + 5400·150)/6400 = 174.2 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

फ़्लेंज: 100·10³/12 + 1000·(305 − 174.2)² = 1.711 × 10⁷ mm⁴

वेब: 18·300³/12 + 5400·(150 − 174.2)² = 4.367 × 10⁷ mm⁴

I_x = 1.711 × 10⁷ + 4.367 × 10⁷ = 6.078 × 10⁷ mm⁴ = 60.78 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_x = 60.78 × 10⁶ mm⁴

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: I_x = 66.67 × 10⁶ mm⁴

तीन आयतों में बाँटें

हर y को निचले किनारे से मापें।

ऊपरी फ़्लेंज: A = 4320 mm², y = 178 mm

वेब: A = 1500 mm², y = 91 mm

निचला फ़्लेंज: A = 4480 mm², y = 8 mm

केंद्रक

ȳ = (4320·178 + 1500·91 + 4480·8)/10300 = 91.39 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

ऊपरी फ़्लेंज: 180·24³/12 + 4320·86.61² = 3.261 × 10⁷ mm⁴

वेब: 10·150³/12 + 1500·0.3883² = 2.813 × 10⁶ mm⁴

निचला फ़्लेंज: 280·16³/12 + 4480·83.39² = 3.125 × 10⁷ mm⁴

I_x = 3.261 × 10⁷ + 2.813 × 10⁶ + 3.125 × 10⁷

I_x = 6.667 × 10⁷ mm⁴ = 66.67 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_x = 66.67 × 10⁶ mm⁴

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_y′ = 50.78 MPa

समतल प्रतिबल रूपांतरण: θ से घुमाए गए तल पर σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ। मोर वृत्त सभी तलों को एक साथ दिखाता है: उसका केंद्र C = (σₓ + σᵧ)/2 पर और त्रिज्या R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) है। मुख्य प्रतिबल C ± R हैं, और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।

y′ फलक के लिए रूपांतरण समीकरण

σ_y′ = 30 − (−80)·0.6428 − 40·0.766 = 50.78 MPa

जाँच

घुमाने से अभिलंब प्रतिबलों का योग नहीं बदलता।

σ_x′ = 9.219 MPa, σ_x′ + σ_y′ = 60 = σ_x + σ_y

उत्तर

σ_y′ = 50.78 MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_θ = 8.834 MPa

रूपांतरण समीकरण

σ_θ = 10 + −50·−0.1736 + −10·0.9848 = 8.834 MPa

उत्तर

σ_θ = 8.834 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ = 3.196 mm

बीम विक्षेप: विक्षेप वक्रता M/(EI) को दो बार समाकलित करके मिलते हैं। मानक स्थितियाँ सारणीबद्ध हैं, जैसे सिरे पर भार वाले कैंटिलीवर के लिए PL³/(3EI) और पूरे विस्तार पर समान भार वाले सरल आलंबित बीम के लिए 5wL⁴/(384EI)। अलग-अलग भारों के विक्षेप जुड़ते हैं (अध्यारोपण)।

एकरूप इकाइयाँ

N और mm में काम करें: P N में, w N/mm में (kN/m = N/mm), L mm में, E N/mm² में (GPa × 1000), I mm⁴ में।

w = 2 N/mm, L = 1500 mm

EI = 3.96 × 10¹¹ N·mm²

विक्षेप

δ = wL⁴/(8EI) = 2·1500⁴/(8·3.96 × 10¹¹) = 3.196 mm

उत्तर

δ = 3.196 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 3.822 mm

एकरूप इकाइयाँ

N और mm में काम करें: P N में, w N/mm में (kN/m = N/mm), L mm में, E N/mm² में (GPa × 1000), I mm⁴ में।

P = 29000 N, b = 1000 mm, L = 6000 mm

EI = 1.68 × 10¹³ N·mm²

अधिकतम की स्थिति

लंबे खंड में प्रवणता को शून्य रखने से स्थिति मिलती है।

x = √((L² − b²)/3) = √((6000² − 1000²)/3) = 3416 mm

अधिकतम विक्षेप

δ_max = Pb(L² − b²)^3/2/(9√3·EIL) = 3.822 mm

उत्तर

δ_max = 3.822 mm

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 16.39 kN

ऑयलर बकलिंग: पतला स्तंभ P_cr = π²EI/(KL)² पर अस्थिर हो जाता है, जहाँ KL प्रभावी लंबाई है: पिन–पिन के लिए K = 1, जड़ित–मुक्त के लिए 2, जड़ित–पिन के लिए 0.7 और जड़ित–जड़ित के लिए 0.5। यह सबसे छोटे I वाली अक्ष के परितः मुड़ता है। सूत्र उन पतले स्तंभों के लिए मान्य है जिनका क्रांतिक प्रतिबल पराभव प्रतिबल से कम रहता है।

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

आयत अपनी कमज़ोर अक्ष के परितः, छोटी विमा के घन के साथ मुड़ता है।

I_min = h·b³/12 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 0.7·4000 = 2800 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·65104/2800² = 16392 N = 16.39 kN

उत्तर

P_cr = 16.39 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σ_cr = 49.35 MPa

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

गोल खंड का I हर अक्ष के परितः समान होता है।

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 1257 mm²

r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm

KL = 0.5·4000 = 2000 mm

KL/r = 2000/10 = 200

क्रांतिक प्रतिबल

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49.35 MPa

उत्तर

σ_cr = 49.35 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechanics-of-materials